测序仪的工作原理

p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201711/insimg/e1b53786-6e16-4afb-80d3-15282f1c3af7.jpg" title=" 2.jpg" style=" width: 600px height: 446px " width=" 600" vspace=" 0" hspace=" 0" height=" 446" border=" 0" / /p p span style=" font-family: 微软雅黑, Microsoft YaHei " 　　在今年年初的J.P. 摩根大通医疗保健大会（J.P. Morgan Healthcare Conference）上，Illumina发表了堪称地表上最强的测序仪NovaSeq。全新的测序架构所带来的超高通量，让Illumina的总裁兼CEO Francis deSouza自信地宣示，百元基因组时代的来临已指日可待。从一月产品发布到Q3 财报公布时, Illumina已经出货近200台NovaSeq到客户手中。 br/ & nbsp br/ 　　无可匹敌的超高通量，是吸引许多客户眼球的第一元素。年初S2 流动槽最先上市，一个流动槽每次运行可达到28-33亿数量的reads / clusters。在双S2流动槽同时运行的情况下，使用2x150 bp读长，一次NovaSeq测序可以在一天半内解码16个人类基因体（平均30x覆盖深度）。10月中推出的S4流动槽，更将通量翻了三遍。一个S4流动槽每次运行可达到80-100亿数量的reads / clusters，所以双S4流动槽运行可以在不到两天内解码48个人类基因体（6万亿硷基通量）。S4的强大功能，将加速大规模基因组研究计画，对临床研究提供关键性的突破。如同哥伦比亚大学基因组医学研究所主任David B. Goldstein所言，NovaSeq系列所激发的研究规模和成本，都是一年前无法想像的。这全新系列的可扩展测序机不只帮助基因组医学走向更大规模的研究，也能推动实现如液态活检、肿瘤深度全基因组分析、和大数量单细胞测序等需要高覆盖深度或高强度的测序应用普及化。 br/ & nbsp br/ 　　NovaSeq高通量的可扩展性，满足不同产量的测序应用，也是其受到许多用户青睐的关键。除了可以选择S2 或S4流动槽，以及自由设定单槽或双槽同时运行之外，与S4同时推出的NovaSeq Xp工作流程让NovaSeq系统的灵活度更上一层楼。NovaSeq Xp工作流程的流动槽上样栈与试剂，让用户可以将文库直接上样到流动槽的单个通道中。由于每个通道的文库独立不混杂，用户可以根据通道来划分样本和项目。NovaSeq Xp工作流程带来更大的自由度，例如每个通道使用96个样本索引，每个流动槽一次可以测序384各样本。这样高度的多样本测序（multiplexing）也顺带减低了每个样本DNA所需的起始量。用户可以自由决定使用标准工作流程来混合各种文库类型在一个流动槽裡，或是利用NovaSeq Xp工作流程裡的上样栈实行新颖的样本索引方法，最佳化有效地利用地表上最高通量的测序仪。 br/ & nbsp br/ 　　NovaSeq 6000系统支援所有文库制备方法，例如全基因组测序（WGS）、靶向重测序（targeted resequencing）、RNA测序（RNA sequencing）、和甲基化测序（methylation sequencing）。用户可以在BaseSpace Sequencing Hub上找到NovaSeq产生的范例Illumina文库测序结果。 br/ br/ 　　更多关于NovaSeq系统规格和NovaSeqXp工作流程的细节，可以参考Illumina网站上的白皮书： br/ https://www.illumina.com/content/dam/illumina-marketing/documents/products/datasheets/novaseq-6000-system-specification-sheet-770-2016-025.pdf br/ & nbsp br/ 　　除了NovaSeq S4流动槽和Xp工作流程，Illumina在10月推出的创新产品还包含了Nextera DNA Flex，一款全新的高性能全基因组测序（WGS）文库制备试剂盒。Illumina了解在NGS测序技术不断进步下，文库制备的技术也要跟上脚步，一起加速基因组医学爆发性地前进。目前许多实验室在NGS流程的文库制备阶段仍然遭遇瓶颈。多数文库制备流程以及前后的多个步骤，耗时又耗工。文库制备前需要DNA提取、定量和片段化，而文库制备后的步骤包括文库质量评估、文库浓度定量和归一化。这让许多实验室都要延误不少时间在文库制备流程，才能开始测序过程。 br/ & nbsp br/ 　　Nextera DNA Flex的核心技术为Bead-Linked Transposome （BLT），将Nextera的转座体（transposome）链接在磁珠上。BLT的On-Bead Tagmentation整合了DNA片段化（fragmentation）、片段接头化（adapter ligation）、和文库定量归一化（library normalization）的步骤，减少手动接触点并节省文库制备时间到2. 5小时。搭配Flex Lysis Reagent Kit的细胞裂解试剂，Nextera DNA Flex允许直接加入样本如血液、唾液、乾血纸片、和微生物菌株。直接加入样本进一步省去了样本制备的繁琐步骤，不需要辅助设备和试剂来提取DNA。从而将文库制备的整体周转时间，从样本到上测序机，缩短到三小时以内。Nextera DNA Flex的简约有助于自动化流程的使用。 br/ br/ 　　除了是Illumina产品线中最快且最简化的文库制备流程，Nextera DNA Flex的On-Bead Tagmentation提供了比in-solution tagmentation更均值的DNA片段化反应。当样本DNA起始量超过BLT的饱和点（大约是100ngDNA），过多的DNA便无法被片段化。不同于其他种文库制备方法，这样的化学特性使得Nextera DNA Flex片段化结果不会受到DNA定量的准确度影响。当DNA量介于100-500ng 之间，Nextera DNA Flex制备后的文库片段长度和上样量几乎是固定的。用户可以利用Nextera DNA Flex的广泛样本DNA起始量，灵活支持各种类型的基因组测序，简化日常操作。　 br/ & nbsp br/ 　　BLT与样本DNA饱和后带来的均匀文库片段长度和上样量，也提升了基因组测序覆盖度的均一性。不管是人类或非人类基因体，文库DNA片段均匀地覆盖在高与低的GC区域，没有偏好性。这样的通用特性让Nextera DNA Flex应用范围广泛，支持人类或其他大型/複杂基因组以及扩增子和微生物、寄生虫或真菌物种的测序，并且与Illumina各款测序仪完全兼容。用户可以在BaseSpace Sequencing Hub上找到Nextera DNA Flex应用在不同动植物和细菌基因体所产生的文库和在不同Illumina测序仪上的结果。 br/ br/ 　　更多关于Nextera DNA Flex的全新技术BLT原理、快速与整合的流程、以及全基因组测序表现和TruSeq Nano与Nextera XT的比较，请参考Illumina网站上的白皮书： br/ https://www.illumina.com/content/dam/illumina-marketing/documents/products/datasheets/nextera-dna-flex-data-sheet-770-2017-011.pdf br/ br/ 　　另外两份白皮书详尽讨论Nextera DNA Flex的文库制备成果： /span /p p span style=" font-family: 微软雅黑, Microsoft YaHei " br/ /span /p p span style=" font-family: 微软雅黑, Microsoft YaHei " strong 人类基因体 /strong br/ https://www.illumina.com/content/dam/illumina-marketing/documents/products/appnotes/nextera-dna-flex-human-genomes-application-note-770-2017-018.pdf br/ br/ strong 微生物基因体 /strong br/ https://www.illumina.com/content/dam/illumina-marketing/documents/products/appnotes/nextera-dna-flex-small-genomes-application-note-770-2017-019.pdf br/ & nbsp br/ 　　今年十月份发布的这些新产品，NovaSeq S4流动槽、NovaSeq Xp工作流程（预计十二月份开始接受订购）、和Nextera DNA Flex文库制备试剂盒，再度展现Illumina的创新能力，并帮助加速基因组医学迈向大规模、高性能的全基因组研究之路。 br/ /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201711/insimg/8ccfe1a5-9088-43fc-b096-b005ae6f42b3.jpg" title=" 1.jpg" / /p p span style=" font-family: 微软雅黑, Microsoft YaHei " strong 作者简介 /strong br/ br/ 庄涵宇博士 br/ Illumina高级经理，生物信息和基因组应用合作 br/ Han-Yu Chuang br/ Senior Manager, Bioinformatics and Genomics Applications Partnerships, Illumina Inc. /span /p

p 　　“这一个项目我做了7年，这辈子能做几个这样的项目?它就像我的孩子一样，对于自己的孩子，哪怕再难、再苦我都要坚持。” /p p 　　“做科研就不能怕走弯路，我跌跌撞撞地走了这么多年，只是为了基因测序技术的国产化，哪怕没有资金和支持，我也要坚持做下去，因为这是我的‘孩子’。” /p p 　　说这话的人是中国科学院北京基因组研究所技术研发中心常务副主任、副研究员任鲁风。多年来，他不断地调整着研究方向，不断地学习不同学科的知识，为的就是研制出中国人自己的基因测序仪。 /p p style=" text-align: center " img title=" 2015810545267550.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201508/insimg/14b6e2f4-ff1d-4525-b4b3-9fa5b7c70aab.jpg" / /p p style=" text-align: center " 任鲁风 /p p 　 strong 　初试牛刀 /strong /p p 　　22岁，毕业于南开大学生物系的任鲁风进入天津市某医院从事遗传性耳聋基因方面的基础研究，一个偶然的机会，他与基因结下了不解之缘。 /p p 　　在那里，他第一次接触到了“基因芯片”，这种在当时还很“时髦”的检测技术，就像给他“注射了一针兴奋剂”。当他得知北京一家公司正在建立基因芯片技术团队时，便毫不犹豫地放弃了在医院刚刚得到的晋升职位和稳定的工作，来到北京寻找他的梦想。 /p p 　　他的梦想与努力没有被辜负，经过多年心血与集体攻关，2003年由任鲁风主要完成的全球第一款SARS病毒全基因组芯片问世，并荣获了首都“抗击SARS集体一等功”。 /p p 　　“当时的基因芯片应用涉及了人类、动物、植物及病毒等方面，主要偏重于在基础研究中的应用，其中针对病毒进行鉴别检测的基因芯片是应用研究中主要的方向。”任鲁风向记者介绍说。 /p p 　　在他看来，在此之前，没有其他分子检测技术能够实现检测靶标的通量概念，基因芯片是第一种可以大规模并行化进行基因靶点检测的实用技术，“如果能够根据其特点应用于恰当的实践领域，将有其广阔的市场前景”。 /p p 　　可是好景不长，SARS过后，和国内众多新兴产业的轨迹一样，基因芯片产业进入了一个波谷期，公司内部业务调整，使得他不得不再次转行，寻找突破口。 /p p 　　2004年，他所在的部门裁撤，开始转岗从事基因治疗新药的研发和临床前实验研究工作。“不安分”的他总觉得还是没有找到自己的“归宿”，他始终坚信，没有应用前景的研究只能锁在象牙塔中，直到他进入中科院基因组所。 /p p 　　碰撞出的基因测序仪 /p p 　　2008年，中科院北京基因组所时任副所长于军研究员，也是任鲁风的博士生导师，针对生命科学仪器的发展提出了模块化DNA分析系统的概念，即对于DNA进行不同层次的分析时，可以是少数几种分子生物学核心技术的一种或多种的集成。此后，在与中科院半导体所的科研交流中，双方一拍即合，提出了研发当时技术复杂度最高，同时也是未来预期应用最广泛的第二代高通量基因测序仪的思路。 /p p 　　这个多学科碰撞出的火花，让当时刚刚进入测序技术研究领域的任鲁风激动不已。“进入研究组后，我才发现，原来我对基因组学、基因测序的了解是那么的浅显。”任鲁风说。 /p p 　　研究小组提出用不同学科领域的技术解决生命科学领域应用的问题。经过生物学和物理学两个看似完全不相干的团队历时半年的相互交流学习，任鲁风和同事们了解了半导体材料和相关的光电技术，也向他们普及了基因检测的相关知识。最终，联合研究组确定了研发基因测序仪所采取的技术路线。 /p p strong 　　再难也要做下去 /strong /p p 　　“2008年的时候，当时买一台类似的测序仪要花400万元，中科院给我们两年半时间，用406万元经费开发出一台测序仪，说实话当时我也觉得挺难的。”回忆起当年情景，任鲁风感慨万千。 /p p 　　“第一年走的弯路非常多，在摸索技术路线时，我们发现了很多问题。到2009年9月，项目要进行中期汇报时，我们才刚刚在仪器研发和技术开发方面入了门。当时非常焦虑，但是再难也要走下去。”任鲁风说。 /p p 　　从2009年9月到2011年4月验收结题，实际上他们只花了一年半时间便完成了这台基因测序仪原理样机的研发。个中曲折，已不能尽数。 /p p 　　功夫不负有心人。2011年3月，第一台基因测序仪原理样机搭建完成并功能实现，同年4月通过了中科院专家组的现场验收。 /p p 　　基因测序仪原理样机的研发成功不仅仅给了研究组信心，同样也为基因组所的学术方向结构完整性提供了有力的支持。在基因组所的“一三五”发展规划中，测序技术研发占据了非常重要的地位。任鲁风在当年博士毕业留所，自信满满地带领新成立的DNA测序技术研究开发中心团队进入下一个攻坚阶段——工程样机的开发工作，但却遇到了极大的困难，差点导致夭折。 /p p 　　工程样机的开发工作涉及到对仪器系统的全面重新设计，对各个部件都需要从工程化角度评估和测试，需要远远高于原理样机研发时所需要的经费。因为种种原因，这个项目虽然得到了研究所最大程度的支持，但一两百万元的经费对于这项工程来说实在是杯水车薪，争取国家项目资助又因为种种原因未获成功，开发工作一度陷入断粮状况。“最少的时候直接参与开发工作的只剩两三个人，我不得不争取一些小的项目咬牙支撑这个项目走下去。”任鲁风回忆起工程样机开发阶段的艰难也会有些唏嘘。 /p p 　　峰回路转，2013年10月，项目组与紫鑫药业达成协议，共建中科紫鑫公司实现基因测序仪项目产业化。科研项目的产业化转化所带来的资金和发展契机让任鲁风看到了希望。 /p p 　　“直到2015年1月，中科紫鑫已经完成了20多台机器，准备投放到遴选出的试用用户手里，让他们做免费的试用，我需要业内的评价。”任鲁风说。 /p p 　　国产自主知识产权的基因测序技术对国家的意义、国家在国际上的战略地位以及对精准医学的发展意义重大。任鲁风告诉记者，“我们的机器上市之后，国外的垄断企业一定会大幅度降价，对我国整体基因产业发展也会有更多的推进作用。” /p p 　　“这一个项目我做了7年，这辈子能做几个这样的项目?它就像我的孩子一样，对于自己的孩子，哪怕再难、再苦我都要坚持。”任鲁风说。 /p

CG公司的基因组测序工作完全由机器人完成 工作人员正在蓝色幽暗的&ldquo 车间&rdquo 内操作检测设备 　　美国加州的山景城是&ldquo 硅谷&rdquo 的重要组成部分。现在，一个与硅芯片相关的潜力大产业正在这里兴起，那就是基因组测序技术产业。这个产业的发展是随着多家大公司的激烈竞争开始的。不过，一家名为&ldquo 整合基因&rdquo (Complete Genomics，CG)的公司不像别的公司一样研发和销售测序仪器，而是为科学家提供外包的测序服务，更绝的是，在这家公司里做测序的，并不是研究人员，而是一排排的机器人。近日，《新科学家》杂志探秘了这家充满科幻意味的公司。 　　前台都是&ldquo 机器人&rdquo 　　走进CG公司，连前台都由计算机终端出任。它会主动向来客问好，询问姓名、身份和来访意图。旁边连接的一台打印机则自动打出访客挂牌。与此同时，一份电子邮件已经发送到内部接应人员的电脑上。 　　这家公司的生产线更像科幻电影里的实验室，昏暗蓝色的房间里到处都是高级仪器，室内温度保持在28℃和相对较高的湿度，几名穿着实验服，带着发罩的工作人员在监视着电脑屏幕，查看着机器人的运作状态。 　　这儿已经成为了世界上最大的人类基因组测序工厂。只是在这里工作的不是人类，而是机器人。在一个大约只有半个网球场大的房间里，&ldquo 坐着&rdquo 16台机器人，不间断地进行着人类基因组测序的工作。去年，它们完成800个人的DNA测序工作&mdash &mdash 其中三分之一是后半年做出来的。到了今年，它们已经可以每个月生产出400个人的基因了。 　　CG公司只是目前迅速形成产业的诸多基因组测序公司中的一家，但是它十分独特。公司市场总监图柯特(Jennifer Turcotte)对《新科学家》杂志解释说，通常而言，DNA测序是在一个密封的机器里进行的，但在这家公司的实验室里，机器人却是在一个开放暴露的环境下做基因组测序，这是为了便于维修。实验室特定的温度和湿度是为了符合测序中出现的生化反应，微弱的蓝光是为了避免荧光探测剂在探测基因代码符号时受到其他频率光波的破坏。 　　这儿所进行的基因组测序，已是目前最新的第三代基因组测序技术，称为&ldquo DNA纳米球测序技术&rdquo 。这种新方法是将DNA链放置在一小块硅芯片上进行调节，自我组装成所谓的&ldquo 纳米球&rdquo 。这样的测序所需要的试剂更少，得到的数据则更多。 　　技术人员都穿着无尘室服装，因为任何一点灰尘都会干扰测序，除非哪儿出问题了，一般而言这些技术人员不会干预机器人的工作。机器人则会自动添加试剂，操作样本，每个DNA纳米球上携带着70个核苷酸，其排列顺序会通过光信号被拍摄记录下来。 　　费用正在逐步降低 　　这些机器人正在做的工作，是一个浩大庞杂的工程蓝图中的第一步，所有的人类基因组中有着30亿对碱基对，而CG计划将其全部组装出来。这需要非常大的计算量，公司为此也建了一个自动数据中心。不过，这个数据中心设在距离公司大约有20分钟车程的地方&mdash &mdash 那儿的电费更便宜。 　　目前CG公司只针对研究者和制药公司开放，个人还没法购买他们的服务。在这里，每对基因组测序要价9500美元，如果购买1000对以上，则每对价格降为5000美元。这个价格是随着基因组测序技术突飞猛进而急剧下降的，要知道，十年前，第一对人类基因组序列完成时，其价格是以十几亿美元计量的。而科学家现在已经预计几年后，基因组测序的价格可能会降到一般人都可能支付得起的程度。 　　基因组测序的流水线完全是由机器人来做的，而职员做什么呢?公司共有185名职员，部分是科研人员，忙于改善公司的测序技术，另一部分则是做市场和联络，与各类客户打交道。 　　基因组测序工程是一项既有非常光明的前途但又异常庞大的科学工程，而自动化则可能成为处理这项工作的最佳工具。基因学家们认为，通过一些基因扫描，是可以找到导致人类易感疾病的一些基因变异，人类基因谱上，有一些常见明显变异，但是就整个遗传问题来看，还有大量的混乱的遗传变异隐藏在DNA双螺旋体中，这些也导致了世界上千奇百怪的遗传疾病。 　　如何去捕猎这些神秘莫测的错误基因代码呢?只剩下一个方法，那就是将整个人类基因谱测序，来捕捉一些可能和疾病有关的基因变异。这个方法虽然听上去如同&ldquo 大海捞针&rdquo 一样不靠谱，但目前一些迹象表明，今后或许基因组序列会成为医疗记录的一部分，或者科学家可以通过家庭的基因组测序来纠正基因错误。比如，去年西雅图系统生物学研究所的胡德(Leroy Hood)及其小组与CG公司进行了合作，在《科学》杂志上刊登了一篇论文。他们对一家四口的基因组进行了测序。这是个特殊的家庭，两个孩子都患有两种隐性遗传病&mdash &mdash &mdash 米勒综合征和纤毛运动障碍，而父母则完全正常，在分别测出这家人的基因序列后，研究者将父母和子女基因组序列进行比较，验证了米勒综合征这种非常罕见遗传病的致病突变。 　　提供测序外包的服务 　　目前，站在基因组测序产业化起跑线上的企业包括了同样位于加州的生物科学公司Pacific Bio。这个公司创立了首次可以对单个DNA进行测序的仪器。和CG公司一样，目前，这家公司也只向研究者提供服务。 　　还有一些大型的、从事基因组测序产业的公司已经将基因组测序做到医院和个人普及的地步了，如研发制造大型测序分析仪器的Illumina公司。这个公司在2008年美国成长最快的科技公司评选中，风头甚至盖过了Google。它们提供的产品甚至可以直接给病人使用。而另一位基因创业企业家罗斯伯格(Jonathan Rothberg)甚至发明了可以放在桌子上的基因解码器，可以在2小时之内以很高的精度解读出1000万个基因代码符号。 　　大部分的基因组测序企业都站在一个竞争线上，尽力提高DNA测序的速度，降低费用。而CG公司其实并非和它们是严格意义上的竞争对手&mdash &mdash &mdash 他们计划组装出所有的人类基因序列，研发也是为此目的而进行。此外，他们并不如其他公司一样开发更高级更小巧的基因组测序仪，而是为科学家提供基因组测序的外包服务，也就是说，研究人员无需购买、安装、培训、运行和维修仪器，而只要将样品交给这家公司，等待结果到来就可以。虽然很多人不理解他们的做法，但这家公司始终坚持自己的观点，认为这样的服务最能让科学家将时间从捣腾仪器设备的工作中解放出来，专心放在生物学和假说验证上。 　　从这几年CG公司取得的成绩来看，这种做法确实是有效的。2009年，CG公司宣布其测出了第一个人类基因序列，并移交给美国生物科技信息中心数据库。同一年，他们在《科学》上刊文，发布了三个完整人类基因组序列分析的结果，当时文章还宣布，测序的成本已经可以降到1726美元。这在生物界引起了轰动。到了那一年结束，他们已经做出了50个人的基因序列。 　　此外，他们的名字也随着来自各地的科学家一起多次登上了权威学术杂志。除了去年帮助科学家解开了米勒综合征突变难题给科学界留下难忘的印象之外，美国的罗氏公司还曾经借助CG的基因组测序技术，完成了人类科学史上第一例肺癌患者的全基因组比较。相关研究结果刊登在《自然》杂志上。而美国癌症学会也开始和CG公司联手，希望通过其服务比较正常人和癌细胞基因组序列的差异。或许在不久的将来，解开癌症之谜的第一个贡献就属于这些蓝光照耀下的机器人。